Композитная история
Об эволюции композитных материалов, их устройстве и современном применении
Произнося слово «композитный», большинство из нас представляет что-то современное и инновационное. Например, обшивку для космического корабля или новейшего самолета, в крайнем случае – композитную пломбу или коронку на зуб. Редко мы задумываемся над тем, что композиты появились несколько тысяч лет назад, уходят своими корнями в Древний Египет. Об истории развития композитных материалов в мире, их современном применении и перспективах – в нашем материале.
История и устройство: от железобетона до нанокомпозитов
Композитный материал или просто композит – это материал, состоящий из двух или более компонентов, каждый из которых обладает различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. Сегодня многие исследователи уверены, что за этими материалами будущее и называют XXI столетие веком композитов. Удивительно, но сама идея их создания родилась задолго до нашей эры.
Композитами, по сути, можно назвать даже саманные кирпичи, которые использовались в Древнем Египте. Главными компонентами такого древнего композита выступали глина и солома. Еще один пример античного композитного материала – бетон, который придумали древние римляне. Такой композит из смеси вяжущего вещества и дробленых камней использовался при строительстве масштабных зданий той эпохи. К примеру, знаменитый Пантеон считается самым крупным зданием в мире, купол которого выполнен из неармированного бетона.
Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. Это и есть основная характеристика любого композита – он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними. Для сравнения, другой многокомпонентный материал – сталь – не является композитом. В ней углерод внедряется в кристаллическую решетку железа, и граница исчезает. Итак, в составе композита выделяют матрицу и наполнитель. Изменяя их состав и соотношение можно получить множество видов новых материалов с различными свойствами.
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Как следует из названия, волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами. Самыми простыми и наглядными примерами могут послужить кирпичи с соломой и папье-маше.
Остальные три вида композиционных материалов объединяет тот факт, что их матрицы наполнены частицами армирующего вещества, а различаются они размерами этих частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20-25% от общего объема, тогда как в дисперсно-упрочненных композитах до 15% частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Нанокомпозиты являются новым поколением композиционных материалов. В их состав входят частицы совсем маленькие – размером до 100 нм.
Эра пластика: универсальность полимерной матрицы
Различные волокна или кристаллы в композитах наполняют основную матрицу. Она в свою очередь тоже может быть разной: полимерной, деревянной, керамической или на основе металла. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются сегодня самыми распространенными.
Пластик считается одним из основных новшеств прошлого века. Этот легкий и удобный материал обладал одним недостатком – хрупкостью. Именно эту проблему технологам удалось решить, армировав пластик по аналогии с железобетоном. Так появились углепластики и стеклопластики – полимерные материалы, с которыми мы связываем само понятие «композиты».
Использование стеклопластиков, где наполнителем является расплавленное неорганическое стекло, началось в середине XX века в оборонной промышленности. Тогда из них изготавливались антенные обтекатели. Сегодня стеклопластики широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, например, оконных рам, и так далее.
Углепластики – полимерные композиты, где наполнителем служат углеродные волокна. Легкость и высокая прочность – основные достоинства этих материалов. Углепластик в пять раз легче стали и примерно вдвое легче алюминия. Есть углепластики, которые способны на протяжении долгого времени выдерживать температуры до 3000 °С. Они применяются для создания высокотемпературных деталей ракет и самолетов. Например, для изготовления тормозных колодок для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей.
Композиты в небе и на земле
В свое время именно прогресс в космической сфере стал стимулом для развития композитной отрасли. В нашей стране лидером данного направления было и есть Обнинское научно-производственное предприятие «Технология». Первые обнинские композитные материалы еще в 1980-х годах были испытаны на стойкость на планете Венера – вошли в состав одноименных советских космических аппаратов. Чуть позже «Технология» присоединилась к самому масштабному космическому проекту страны – разработке корабля многоразового использования «Буран». Космоплан должен был выдержать температуру 1500 °С во время входа в атмосферу. Специалистами «Технологии» была создана специальная керамическая плитка для обшивки. Для «Бурана», который совершил полет в 1988 году, было выпущено почти 40 тыс. таких плиток.
В Обнинске были разработаны и крупногабаритные композиционные конструкции, например, головной обтекатель ракеты-носителя «Протон». Благодаря использованию композитов «Протон» «скинул» почти полторы тонны, что имело огромный экономический эффект. Ведь вывести на орбиту тонну груза стоит почти столько же сколько тонна золота.
Сегодня «Технология» производит множество композиционных конструкций для космоса и авиации. Это обтекатели для ракет-носителей, панели для самых современных спутников, детали для военных и гражданских самолетов. К примеру, на предприятии создаются композитные конструкции для новейшего авиалайнера МС-21 и двигателей самолета Sukhoi Superjet 100.
Композиты сейчас применяются не только в космической индустрии и авиастроении, их можно встретить везде. Например, еще в 1980-х годах они «перекочевали» в автопром. Наглядной рекламой композитов для автомобилестроения послужила тогда победа на международных автогонках первого углепластикового болида. С тех пор с каждым годом объем композитов в современных машинах растет. Их использование позволяет снизить массу автомобиля примерно на четверть, а значит повысить эффективность двигателя и уменьшить расход горючего.
По мере развития науки композитные материалы становятся разнообразнее и дешевле. Всего столетие назад европейские монархи заказывали алюминиевые короны и сервировали столы алюминиевой посудой – тогда алюминий стоил дороже золота. Позже алюминий научились изготавливать в промышленных масштабах, и сегодня любой может купить газировку в алюминиевой банке и использовать фольгу. Композиты проходят тот же путь, и их развитие способно предоставить промышленности совершенно новые технологические возможности.